Устройство для считывания графической информации

 

ашетт житно-тохничесищд библ отена М1д

Опт ГСАн и е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №вЂ”

Заявлено 05.Ч1.1970 (№ 1446968/18-24) М. Кл. 6 06k 11/00

G 061(9/00 с присоединением заявок № 1490122/18-24 и № 1446966/!8-24

Hp и о р е1 т е т—

Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров

СССР

Опубликовано 14.VI.1973. Бюллетень № 26

Дата опубликования описания 8.Х.1973

УДК 681.327.12(088.8) Автор изобретения

Р. И. Шурпа

Каунасский политехнический институт

Заявитель

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЧИТЫВАНИЯ ГРАФИЧЕСКОЙ

ИНФОРМАЦИИ

Изобретение относится к устройствам дЛя считывания графической информации, используемым при автоматическом восприятии;и распознавании знаков или графиков.

Известно устройство для считывания графической информации параллельно-последовательного действия, работающее с линейкой фотоэлементов, путем параллельного анализа всех каналов.

Недостатком известного устройства является то, что оно считывает линии графиков с большим наклоном со значительными ошибками вследствие невозможности определения середины лин ии и плохой помехозащищенности.

Целью изобретения является повышение точности считывания благодаря определению середины линий любых наклонов и двумерной фильтрации помех.

Для достижения этой цел и предлагаемое устройство для считывания графической информации содержит временные и пространственные фильтры электрических сигналов и блок обработки; выход каждого т-го канала преобразователя светового потока в электрический сигнал подключен ко входу временного фильтра и к одному из входов пространственного фильтра электрического сигнала, другие входы которого подключены к (i+1)-му и (т — 1)-му каналам преобразователя светового потока, а выходы пространственного и временного фильтров электрического сигнала соединены со входами блока обработки и выходами устройства.

5 Устройство отличается также тем, что временной фильтр электрического сигнала содер>кит последовательно соединенные первую дифференцирующую цепь, компаратор и вторую днфференцирующую цепь. Пространст10 венный фильтр электрического сигнала содержит две группы весовых резисторов, каждая из которых через компаратор соединена с соответствующим входом схемы совпадения.

На фиг. 1 показана блок-схема предлагае15 мого устройства для считывания графической информации; на фиг. 2 — диаграммы напряжений на различных участках схемы, поясняющие работу временного фильтра электрического сигнала при выделении середины счи20 тываемой линии; на фиг. 3 — диаграммы, поясняющие работу пространственного фильтра электрического сигнала и на фиг. 4 — диаграммы, поясняющие совместную работу фильтров.

25 На фиг. 1 обозначены: 1 — оптическая система; 2 — многоканальный преобразователь светового потока в электрические сигналы (содержит фотоэлементы с соответствующими усилителями); 3 — временной фильтр электри30 ческого сигнала; 4 — первая дифференцирую386414 щая цепь; 5 — компаратор; б — вторая дифференцирующая цепь; 7 — пространственный фильтр электрического сигнала, 8 — компаратор; 9, 10 — весовые резисторы; 11 — компаратор; 12, 13 — весовые резисторы; 14 — схема совпадения; 15 — блок обработки.

Считывание наклонной линии с определением середины лин ии осуществляется следующим образом.

Освещенный документ со считываемой линией с постоянной скоростью перемещают в горизонтальном направлении перпендикулярно оси линейки фотоэлементов. Оптическая система считывающего устройства проецирует изображен ие считываемой линии на линейку фотоэлементов и осуществляет двумерную фильтрацию пространственных частот. Многоканальный преобразователь, состоящий из линейки фотоэлементов и усилителей, световой сигнал изображения считываемой линии преобразует в электрический. Середину лин и в каждом канале преобразователя определяют одновременно по двум перпендикулярным направлениям временными- и пространственными фильтрами электрических сигналов. В горизонтальном направлении, совпадающем с направлением движения документа, середину линии определяют временными фильтрами электрических сигналов. В вертикальном направлении, совпадающем с продольной осью линейки фотоэлементов, середину линии определяют пространственными фильтрами электрических сигналов.

Середина линии определяется по положению максимального значения выходного сигнала преобразователя. Привязка к вершине выходного сигнала позволяет сочетать предельную точность определения с наибольшей надежностью. Определить момент максимального значения выходного сигнала можно путем определения момента перехода через

«нуль» сигнала после его однократного дифференцирования. Однако перед этим необходима предварительная фильтрация сигнала от считываемой линии фильтра, имеющего линейную фазовую характеристику.

В многоканальных считывающих устройствах, работающих с линейкой фотоэлементов, целесообразно применять самые простейшие методы фильтрации. Для этой цели можно использовать апертуру считывающих фотоэлементов, оптическую систему считывающего устройства, его дефокусировку.

Допустим, что фильтрация осуществляется только объективом считывающего устройства.

Как известно, объектив является двумерным фильтром нижних пространственных частот, фазовая характеристика которого линейпа.

Одномерную переходную характеристику объектива можно аппроксимировать функцией: х

Й(х)= exp(— с )шх, где Х вЂ”; с=

0,47б9 — постоянная величина; r — параметр объектива (радиус цилиндра, в пределах которого сосредоточено 50 о/о энергии светового сигнала).

Определим параметры пространственного фильтра для линии с равномерным единичным распределением коэффициента отражения. Пусть середина линии проходит через начало координат XOY и совпадает с осью У.

Тогда световой сигнал Bp(X) от считываемой линии принимает следующий вид:

J 1 при х (//2 О при х)) l/2, 15 где l — ширина линии.

В таком случае распределение освещенности на выходе пространственного фильтра:

В,, (Х) = и (Х+ l/2) — h (Х вЂ” //2).

Однократно дифференцируя фильтрованный сигнал, получаем:

В„(Х) = ю (Х+ //2) — w (Х вЂ” l/2), где и (Х) — одномерная весовая функция объектива: с,Х2 ю(Х) = lг (Х):= ехр — с —

/. (r

Параметр объектива r нужно подобрать таким образом, чтобы сигнал В,, (Х) пересекал

«нуль» с наибольшей скоростью. Для этой цели находим скорость пересечения «нуля»:

«в„ (х>

= w (О+//2) — ы (Π— l/2) = P(/) Х х=о или (F (/) I = ехр (— с зу;, (4r

4о где IF(l) I — зависимость скорости пересечения «нуля» сигнала В„(Х) от ширины линии l.

Функция IF(l) I совпадает с законом рас45 пределения Релея первого порядка и имеет максимум при ширине считываемой линии

l = 2,98 г.

Скорость пересечения «нуля» зависит от угла наклона линии.

5о Пусть середина линии проходит через начало координат в плоскости XOY. Если линия с осью Х составляет угол и, то распределение освещенности в фильтрованном сигнале от считываемой линии по направлению оси Х принимает вид:

В„(Х, a) Iy о = h(A.sin à+ l/2)— — Ь(Х sin а — l/2) и по направлению оси У;

В„(Y, а)х — p — h(У cosà+ //2)— — и (Y cos а — 1/2).

Аналогичным образом находят скорость пе65 ресечения «нуля» дифференцированных сиг386414 налов в двух ниях:

2c 1 sIn а ехр р

r3 ) ;

a) 2с 1 cos ехр Х

r У х=-о =dV «=о

65 перпендикулярных направле/В

X (— с = F(i)isin а; и

X — с = F(l) cos a.

4r

Полученные результаты показывают. что при считывании вертикальной линии (я=90 ), скорость пересечения «нуля» по направлен и|о оси Х максимальна (sin 90 =1), а скорость по направлению оси Y — равна нулю (cos<90 ==О). При считывании горизонтальной линии (а=0 ), скорость пересечения «нуля» по направлению оси Х равна нулю (sin 0 =О), а скорость по направлению оси Y — максимальна (cos> 0 =1).

При непрямоугольном (например, трапецеидальном, колокольном, треугольном) распределении коэффициента отражения вдоль ширины линии максимум функции IF(Z) I уменьшается на (10 — 20о/о) и незначительно перемещается в сторону меньших l.

После осуществления оптической оистемой

1 (фиг. 1) предварительной фильтрации светового сигнала от считываемой линии многоканальный преобразователь 2 преобразует световой сигнал в электрический. Момент максимального значения выходного сигнала преобазователя определяют при помощи временных и пространственных фильтров электрических сигналов. С их помощью сигналы о середине линии одновременно определяются в двух перпендикулярных направлениях.

Многоканальный преобразователь 2 состоит из линейки фотоэлементов и усилителей, имеющих биполярные выходы. Для простоты на фиг. 1 показаны только находящиеся в -м канале временной и пространственный фильтры электрического сигнала.

К положительному выходу i-ro усилителя подключен i-й временной фильтр 3 электрического сигнала. Если устройство выделяет середину линии, то он состоит из дифференцирующей цепочки 4, компаратора 5 и дифференцирующей цепочки б. Выход последней является выходом i ãî временного фильтра 3 электрического сигнала. (-й пространственный фильтр 7 электрического сигнала устройства считывания, если оно осуществляет выделение середины линии, состоит из: а) компаратора 8, который через весовой резистор 9 подключен к положительному выходу -ro усилителя и через весовой резистор

10 — к отрицательному выходу (i+1)-ro усилителя; б) компаратора 11, который через весовой резистор 12 подключен к положительному вы5

40 ходу -го усилителя и через весовой резистор

13 — к отрицательном выходу (i — 1)-го усилителя; в) схемы совпадения 14, которая подключена к выходам компараторов 8 и 11. Выход схемы совпадения 14 является выходом i-ro пространственного фильтра 7 электрического сигнала, Выходы пространственного и временного фильтров подключены ко входам блока обработки 15. На выходе пространственного фильтра 7 выделяют электрические сигналы, соответствующие деталям сканируемого изображения, размеры которых в фильтрующем направлен ии находятся в определенных пределах. На выходе временного фильтра 3 также выделяют электрические сигналы, соответствующие деталям сканируемого изображения, размеры которых в сканирующем направлении находятся в определенных пределах. С> ìмируя в блоке обработки 15 сигналы, полученные на выходах обоих фильтров, создают электрические оигналы, соответствующие деталям сканируемого изображения, размеры которых в одном из фильтрующих направлений или в обоих вместе находятся в определенных пределах.

Работу -ro временного фильтра электрического сигнала при определении середины считываемой линии, иллюстрируют диаграммы, представленные на фиг. 2. Пусть со скоростью v параллельно оси Х движется считываемая линия с равномерным распределением коэффициента отражения вдоль ее ширины.

Линия ориентирована параллельно оси Y.

Световой сигнал от считываемой линии Во(Х) оптической системой 1 (фиг. 1) преобразуется в изображение линии В (Х). Преобразователь 2 (фиг. 1) световой сигнал В (Х) преобразует в электрический, аргументом которого является время:

U, (t) = KBÄ(X), где К вЂ” коэффициент преобразования.

Дифференцирующая цепочка 4 (фиг. 1) дифференцирует сигнал U<(t). С ее выхода сигнал U (t) подается на вход компаратора 5, выполняющего следующую операцию:

Е„если U,(/) оО, 3 ()—

Е„если U,(t) О, где Us(t) — сигнал на выходе компаратора5;

Š— высокий уровень выходного напряжения;

Ео — низкий уровень выходного напряжения.

Дифференцирующая цепочка б дифференцирует сигнал Us(t) и на выходе выдает короткий импульс U„.(t), который и фиксирует середину считываемой линии.

Работу i-го пространственного фильтра электрического сигнала иллюстрируют диаграммы (фиг. 3), на которых показано пространственное распределение сигналов в (i — 2) =м, (i — 1) =м, i=sr и (i+1) =м каналах преобразователя 2. Пусть считывается движущаяся со скоростью v параллельно оси

386414

f Е„если U,(Y) )0, 1Е„если U,(У,)(0. Е„если U,(У,) 0, Е„если U,(У;)(0, Х линия с равномерным распределением коэффициента отражения вдоль ее ширины.

Линия ориентирована параллельно оси Х.

Световой сигнал Bp(Y) преобразуется в изображение B (Y). Преобразователь 2 сигнал

В„(У) преобразует в электрический, аргументами которого являются время и пространственная координата Y: (У„. (t У) = КВ„(У). U (t, У) = U, (У), если считываемая линия ориентирована параллельно оси Х, то аргументом времени 1 можно пренебречь.

В связи с тем, что многоканальный преобразователь 2 состоит из конечного числа каналов, сигналы U(Y) (фиг. 3) соответствуют только дискретным значениям аргумента У (в показываемом случае Y= Y:, У; ь У;, Y; i), поэтому пространственное распределение сигналов показано пунктирной линией.

Амплитуды сигналов U(Y), соответствующие определенным значениям аргумента У, показаны сплошной вертикальной линией.

В пространственных фильтрах электрических сигналов временное дифференцирование заменено двумя пространственными разностями. B i-м пространственном фильтре электрического сигнала на выходах компараторов

11 и 8 соответственно получают сигналы: 6 (Ую) — р (5 (Уя) ц (1 е — 1f э 17 (Уе) р jUй (» ю) U5 (.1 ч > где Кр — коэффициент передачи весовых резисторов.

Обе разности позволяют определить канал преобразователя, в котором первая разность меняет свой знак.

Компараторы 8 и 11 выполняют следующие операции: где Us(Y,) — сигнал на выходе компаратора

11; Ug(Y;) — сигнал на выходе компаратора 8.

На выходе схемы совпадения 14, а вместе с тем и на выходе i-го пространственного фильтра электрического сигнала высокий уровень напряжения Е наблюдается только в том случае, когда на выходах обоих компараторов 8 и 11 будут высокие уровни напряжения. Таким образом, сигнал в середине линии появится на выходе того пространственного фильтра, который находится ближе всех к середине считываемой линии.

Совместную работу обоих фильтров электрических сигналов можно показать .при считывании наклонно ориентированной линии.

На фиг. 4а представлена движущаяся со скоростью v параллельно оси Х считываемая линия Во(Х, У), ось которой в показываемый момент времени проходит через начало координат ХОУ, Там же показаны и расположе5

65 ния (i — 1)-го, i-го и (i+1)-го фотоэлементов относительно принятой системы координат.

На фиг. 4б представлены диаграммы сигналов U,+ (t), U;(t) и U „0(/) на выходах (i+1)-го, ко и (i — 1)-го каналов преобразователя, а также сигналы Ь (+0(t) Уд(() и (Л<; и(/) на выходах временных фильтров. На фиг. 4в представлены диаграммы пространственного распределения сигналов U>(t>, У), (4(4, Y) и С4(— 4, Y) в определенные моменты времени t>, to, — 4, а также сигналы

U o(ti, Y), U

Таким образом, совместная работа временных и пространственных фильтров электрических сигналов позволяет определить середину линии любого знака.

Кроме того, при соответствующем выполнении фильтров электрического сигнала устройство позволяет осуществить узкополосную фильтрацию при сканировании графиков, письменных знаков и некоторых других изобра>кений, состоящих из линии или отрезков линий определенной ширины, а также определять наклонные участки таких линий.

П р едм ет изобретен и я

1. Устройство для считывания графической информации, содержащее оптическую систему и многоканальный преобразователь светового потока в электрический сигнал, выполненный в виде линейки фотоэлементов, связанных с соответствующими усилителями, отличающееся тем, что, с целью повышения точности считывания, оно содержит временные и пространственные фильтры электрических сигналов и блок обработки, выход каждого i-го канала преобразователя светового потока в электрический сигнал подключен ко входу временного фильтра и к одному из входов пространственного фильтра электрического сигнала, другие входы которого подключены соответственно к (i+1)-му и (i — 1)-му каналам преобразователя светового потока в электрический сигнал, а выходы пространственного и временного фильтров электрического сигнала соединены со входами блока обработки и выходами устройства.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что временной фильтр электрического сигнала содержит последовательно соединенные первую дифференцирующую цепь, компаратор и вторую дифференцирующую цепь.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что пространственный фильтр электрического сигнала содержит две группы весовых рез исторов, каждая из которых через компаратор соединена с соответствующим входом схемы совпадения,